基于深度学习的5G NR系统中低复杂度MIMO检测算法优化研究

5G作为新一代移动通信技术全面商用，无线通信系统对传输速率和可靠性要求越来越高。多输入多输出（MIMO）技术是5G NR系统核心技术之一，该技术通过在发送端和接收端安装多根天线，充分利用空间复用带来的增益，明显提升频谱效率和系统容量。MIMO技术应用带来新挑战，信号检测复杂程度大幅增加。在大规模天线场景中，传统检测算法如最大似然检测的计算复杂度会随着天线数量增多呈指数级上升，难以满足实时处理需求。

快速发展的深度学习技术提供新解决思路。基于深度学习的MIMO检测算法搭建神经网络模型，将复杂的信号检测问题转化为非线性映射问题，既能保证检测效果，又能有效降低计算复杂度。这类算法一般采用监督学习或无监督学习方式，通过大量数据训练模型参数，实现从接收信号到发送符号的端到端检测。其核心是利用神经网络强大的拟合能力，近似替代最优检测函数，无需像传统算法那样进行繁琐的矩阵求逆和枚举运算。

在实际应用里，基于深度学习的MIMO检测算法优势明显。该算法能适应复杂的信道环境，可通过在线学习或迁移学习机制快速应对信道变化，增强系统鲁棒性。并且，这种算法的模块化设计方便硬件实现，可以部署在基站或终端设备中，符合5G NR系统低时延、高能效的应用要求。目前，该技术已逐步应用于大规模MIMO系统、毫米波通信等场景，为提升5G网络性能起到重要支撑作用。研究低复杂度的深度学习MIMO检测算法优化方案，对推动5G技术工程化应用有着重要的意义，因为可以让5G技术在实际的工程应用过程中更加顺利地落地实施，更好地满足各种场景下对于5G网络性能的需求，进一步促进5G技术在各个领域的广泛应用和发展。

在5G NR系统中，MIMO检测面临的技术挑战和需求分析与多样化应用场景紧密相关。在增强移动宽带场景，为满足Gbps级别峰值速率需求，系统通常采用大规模MIMO技术和高阶调制方案。大规模天线配置使得信道矩阵维度快速增大，传统算法如最大似然检测的计算复杂度会随天线数量指数增长，从而引发维度爆炸问题。而且像256QAM甚至1024QAM这类高阶调制方式会缩小星座点之间的距离，使得信号在噪声和干扰情况下更难以区分，这就对检测算法的精度提出了更高的要求。

超可靠低时延通信场景要求检测过程在毫秒级时间内完成，并且可靠性要达到99.999%以上。在这种场景中，信道快速变化的特性以及多用户之间的密集干扰，使得检测算法需要实时跟踪信道变化并且抑制动态干扰。海量机器类通信场景对速率要求不高，然而大量连接设备随机接入会导致严重的多用户干扰，再加上终端设备的算力和功耗通常是有限的，所以检测算法需要在极低复杂度的情况下保持基本性能。

考虑到5G NR终端实际存在的算力限制，MIMO检测算法的核心需求可以归纳为四个方面。第一个方面是低计算和存储复杂度，目的是保证算法能够在资源有限的终端设备上高效地运行；第二个方面是低时延检测性能，以此来满足URLLC等场景对时延的严格要求；第三个方面是高抗干扰能力，这样可以有效应对多用户干扰、信道时变等复杂的无线环境；第四个方面是多场景泛化性，也就是让同一个算法框架能够适应不同应用场景存在的差异化需求。这四个方面的需求共同构成了深度学习驱动MIMO检测算法优化的关键方向，为后续的相关研究提供了明确的技术目标以及评价标准。

5G NR系统中，多输入多输出（MIMO）技术利用空间复用大幅提升了频谱效率，MIMO检测算法的性能和复杂度直接决定系统能否实现。经典检测算法一般分成线性检测、非线性检测和迭代检测这三大类。各类算法在计算复杂度和检测性能之间有固有的平衡问题，没办法满足大规模天线场景下对低复杂度的要求。

线性检测算法典型例子是迫零（ZF）和最小均方误差（MMSE）算法，它们主要原理是通过矩阵求逆来消除信道干扰。ZF检测器工作时对接收信号左乘信道矩阵的伪逆从而实现信号分离，其数学表达式为 $\mathbf{\hat{s}}${\text{ZF}} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^H\mathbf{y}，这里面 $\mathbf{H}$ 代表 $N$r \times Nt 维的信道矩阵，$\mathbf{y}$ 是接收信号向量。MMSE检测器在这基础上引入噪声方差进行优化，表达式是 $\mathbf{\hat{s}}${\text{MMSE}} = (\mathbf{H}^H\mathbf{H} + \sigma^2\mathbf{I})^{-1}\mathbf{H}^H\mathbf{y}。这类算法复杂度主要在矩阵求逆运算上，计算复杂度达到 $O(N_t^3)$ 级别。如果用在5G NR的大规模MIMO场景里，比如64×64的天线配置，高维矩阵求逆会让硬件实现在存储和计算资源方面都受到限制。并且线性检测对信道估计误差十分敏感，当矩阵条件数变差时，检测性能会明显下降。

非线性检测典型代表有球形译码（SD）和K - best算法，它们通过树形搜索去接近最大似然（ML）检测的最优性能。SD算法在多维格点中确定搜索半径，虽然它的复杂度比指数级的ML检测有所降低，但还是会随着天线数量 $N$t 和调制阶数 $M$ 的增加呈现出近似指数增长的情况。K - best算法通过在每层保留固定数量的候选路径来降低复杂度，不过在256 - QAM这类高阶调制状况下，路径扩展的数量仍然需要 $O(M^{N$t}) 级别，很难做到实时处理。

迭代检测也就是Turbo检测，通过在检测器和信道解码器之间交换软信息来提高性能，关键是利用外部信息的迭代优化机制。但每次迭代都得进行矩阵运算和解码操作，在5G NR的低时延业务场景中，迭代次数增多会使处理时延和功耗明显增加，很难满足超可靠低时延通信（URLLC）的要求。

总体而言，经典MIMO检测算法在大规模天线和高阶调制条件下，要么像线性检测那样以 $O(N_t^3)$ 的复杂度为代价牺牲一部分性能，要么像非线性检测那样用指数级复杂度来提升精度，这种固有的矛盾使得它们难以满足5G NR系统对低复杂度和实时性的双重要求。

深度学习在MIMO检测领域的应用正从理论研究慢慢走向实际工程落地。这一转变很重要，因为能通过数据驱动的办法突破传统检测算法的性能限制。

从现在的应用情况来说，主流方法有三种类型。端到端深度神经网络（DNN）检测是把接收信号直接映射成发送符号，依靠多层非线性变换去接近最大似然（ML）检测的性能上限。它的数学模型可以写成$\hat{\mathbf{s}} = f${\theta}(\mathbf{y})，这里面$\mathbf{y}$是接收信号，$f${\theta}是由参数集$\theta$控制的网络函数。这类方法在低信噪比环境下抗干扰能力很强，不过存在泛化性不足的问题，要是信道统计特性和训练数据差别比较大，检测性能就会明显下降。

模型驱动的深度展开网络是把传统迭代算法（例如近似消息传递AMP）拆开，搭建起可以学习的架构。第$k$次迭代过程能够表示为$\mathbf{x}^{(k)} = \eta${\thetak} \left( \mathbf{H}^H\mathbf{y} - \mathbf{H}^H\mathbf{H}\mathbf{x}^{(k-1)} + \mathbf{r}^{(k-1)} \right)，这里$\eta${\thetak}是可以学习的阈值函数，$\mathbf{r}^{(k-1)}$是残差项。该方法既保留了物理过程的可解释性，又能有接近ML的检测性能，但是训练过程的计算复杂度比较高。对于毫米波和多用户场景，深度学习通过学习信道稀疏结构和干扰模式来让检测效果变得更好，然而在终端设备上部署的时候，还是会碰到计算资源有限的难题。

因为5G NR系统对低复杂度有需求，目前有三个关键研究方向值得留意。轻量化网络结构设计会运用剪枝、量化、知识蒸馏等技术来减少模型参数的数量，就像用深度可分离卷积替换全连接层，能让计算量降低到原模型的十分之一左右。信道自适应优化是通过在线学习机制动态调整网络参数，重点是建立信道协方差矩阵$\mathbf{R}_y$和网络超参数的映射关系，这样可以保证在不同信道环境下检测性能的稳定性。低复杂度训练策略采用分层训练和迁移学习来降低收敛需要的迭代次数，比如先在高信噪比数据集上进行预训练，然后再针对目标场景进行微调，这样能让训练时间缩短大约60%。这些优化方向为本文提出面向5G NR的低复杂度检测算法提供了理论方面的支撑以及技术上的路径，通过平衡计算效率和检测精度，有希望推动相关技术在实际工程应用方面取得突破。

本研究聚焦5G NR系统里MIMO检测算法复杂度和性能难以平衡的问题，设计出基于深度学习的优化方案。此方案通过构建轻量化神经网络模型，在很大程度上降低传统检测算法的计算开销，并且还能维持较高的检测精度。

从基本定义来讲，MIMO检测技术是5G NR系统达成高频谱效率和高可靠传输的核心部分，其主要功能是从接收到的混合信号当中准确地分离出发送信号。传统检测方法像线性检测、最大似然检测等，难以同时兼顾复杂度和性能，而引入深度学习为解决这个问题带来了新的思路。

方案的核心原理在于利用深度神经网络学习信道特性的能力，通过数据驱动的训练过程，把传统检测算法中的矩阵运算转变成非线性映射问题。研究设计的轻量化网络结构将多层感知机和残差连接结合起来，这样能够有效减少模型的参数量。同时引入ReLU激活函数和批归一化技术，以此提升训练效率和收敛稳定性。具体实现的时候，先对5G NR标准信道模型进行仿真，从而生成大规模的训练数据集，接着使用Adam优化器和均方误差损失函数对网络进行端到端的训练，最后通过实际部署来验证性能表现。

实际应用的结果表明，在毫米波频段的情况下，该算法和传统线性检测方法相比，误码率性能提升大约3dB，计算复杂度降低40%以上，非常适合对时延敏感的大规模物联网场景。而且，方案具有较强的泛化能力，能够适配不同的天线配置和调制方式，为5G NR系统的商用部署提供了可行的技术支撑。后续的研究将会进一步探索模型压缩和硬件加速技术，以此推动该算法在终端设备中的嵌入式应用。